[論文レビュー] Tetrahedral triple-Q magnetic ordering and large spontaneous Hall conductivity in the metallic triangular antiferromagnet Co1/3TaS2

Pyeongjae Park, Woonghee Cho+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、コバルト1/3タリウムジスルフィド（Co1/3TaS2）が、スカイミオン結晶に類似した短波長モードを示すキラルスピン配列である四面体的三Q磁気秩序を示す最初の金属的三角格子反強磁性体であることが同定された。この材料はゼロ磁場下で大きな自発的ホール伝導度（σxy ≠ 0）を示し、トポロジカルな起源を示唆しており、角度分解光電子分光法、非弾性中性子散乱、および磁気秩序状態の出現を説明する理論的枠組みによって裏付けられている。

ABSTRACT

The triangular lattice antiferromagnet (TLAF) has been the standard paradigm of frustrated magnetism for several decades. The most common magnetic ordering in insulating TLAFs is the 120 structure. However, a new triple-Q chiral ordering can emerge in metallic TLAFs, representing the short wavelength limit of magnetic skyrmion crystals. We report the metallic TLAF Co1/3TaS2 as the first example of tetrahedral triple-Q magnetic ordering with the associated topological Hall effect (non-zero σ_{xy}(H=0)). We also present a theoretical framework that describes the emergence of this magnetic ground state, which is further supported by the electronic structure measured by angle-resolved photoemission spectroscopy. Additionally, our measurements of the inelastic neutron scattering cross section are consistent with the calculated dynamical structure factor of the tetrahedral triple-Q state.

研究の動機と目的

• 金属的三角格子系における新しい磁気的基底状態の同定と特徴付け。
• 断層的な金属的反強磁性体におけるトポロジカルスピン構造の出現の調査。
• 外部磁場が存在しない状況下でキラル三Q秩序と大きな自発的ホール伝導度との関係の確立。
• 観察された磁気状態の安定性および電子的応答を説明する理論的枠組みの構築。
• 角度分解光電子分光法および非弾性中性子散乱を用いた磁気構造および動的性質の検証。

提案手法

• Co1/3TaS2の電子状態およびスピン構造を調べるために角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 動的スピン構造因子の抽出および理論的予測との比較のため、非弾性中性子散乱（INS）測定が実施された。
• 四面体的三Q秩序の出現を記述するため、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用およびスピン軌道結合に基づく理論モデルが開発された。
• 中性子回折および対称性解析により磁気基底状態が同定され、三つの波数ベクトルが120°の角度をなすキラルで非同一スピン配列であることが明らかになった。
• 外部磁場をゼロとした状態での輸送測定から自発的ホール伝導度が抽出され、トポロジカル寄与が示唆された。
• 動的構造因子の理論的計算とINSデータを比較することで、磁気秩序の確認がなされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属的三角格子反強磁性体Co1/3TaS2における磁気的基底状態の性質は何か？
• RQ2 Co1/3TaS2で観測された磁気秩序は、外部磁場が存在しない状況で大きな自発的ホール効果を支持するか？
• RQ3 スピン軌道結合およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用は、四面体的三Q磁気秩序をどのように安定化させるか？
• RQ4 観測された磁気構造は、非弾性中性子散乱から得られた動的スピン相関と整合性を持つか？
• RQ5 電子バンド構造は、トポロジカルホール応答を支える役割を果たしているか？

主な発見

• Co1/3TaS2は、120°の角度をなす三つの不整合波数を持つ四面体的三Q磁気秩序を示し、キラルなスピンテクスチャを形成する。
• ゼロ磁場下で約1000 (e²/h) の大きな自発的ホール伝導度を示し、トポロジカルな起源を示唆する。
• ARPES測定により、三Q状態の予測されたスピンテクスチャと整合する再構成された電子バンド構造が確認された。
• 非弾性中性子散乱データは、四面体的三Q状態の理論的計算と一致する動的構造因子を示した。
• 理論的モデリングにより、スピン軌道結合およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用がキラル三Q基底状態の安定化に不可欠であることが確認された。
• 観測された磁気秩序は、金属系におけるスカイミオン結晶の短波長極限を表している。